(57)【要約】【課題】レーザ光を利用した光学装置であっても、干渉縞の発生を抑えることができる照射光学系、分光測定用光照射装置及び分光測定装置を提供すること。【解決手段】照明光学系は、レーザ光源と、インテグレータ素子と、揺動素子と、集光素子とを具備する。前記揺動素子は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記インテグレータ素子に導くことが可能であり、前記インテグレータ素子への前記レーザ光の入射角を変化させるように揺動する。前記集光素子は、前記揺動素子から出射された前記レーザ光を集光する。【選択図】図２
2013183108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
インテグレータ素子と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記インテグレータ素子に導くことが可能であり、前記インテグレータ素子への前記レーザ光の入射角を変化させるように揺動する揺動素子と、
前記揺動素子から出射された前記レーザ光を集光する集光素子と
を具備する照明光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の照明光学系であって、
前記インテグレータ素子は、第１のインテグレータ要素と、前記第１のインテグレータ要素から出射された前記レーザ光が入射する第２のインテグレータ要素とを有する
照明光学系。
【請求項３】
請求項２に記載の照明光学系であって、
前記第１のインテグレータ要素は、所定のピッチで配列された複数のレンズを含む第１のレンズアレイを有し、
前記第２のインテグレータ要素は、前記第１のレンズアレイの前記ピッチで配列された、前記第１のレンズアレイの前記複数のレンズと光軸方向で対応して配列された複数のレンズを含む第２のレンズアレイを有し、
前記第１のレンズアレイの前記複数のレンズのうちの第１のレンズから出射された前記レーザ光のビームが、前記第１のレンズに光軸方向で対応して配置された、前記第２のレンズアレイの前記複数のレンズのうちの第２のレンズに入射されるように、前記揺動素子が揺動する
照明光学系。
【請求項４】
請求項１に記載の照明光学系であって、
前記インテグレータ素子は、複数のレンズの配列であるレンズアレイを有し、
前記揺動素子は、前記インテグレータ素子へ入射する前記レーザ光の揺動幅が、前記複数のレンズのうち単一のレンズの幅以下となるように、揺動する
照明光学系。
【請求項５】
請求項１に記載の照明光学系であって、
前記揺動素子は、共振ミラーまたは音響光学素子である
照明光学系。
【請求項６】
レーザ光源と、
インテグレータ素子と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記インテグレータ素子に導くことが可能であり、前記インテグレータ素子への前記レーザ光の入射角を変化させるように揺動する揺動素子と、
前記揺動素子から出射された前記レーザ光を集光する集光素子と
を具備する照明光学系を含む分光測定用光照射装置。
【請求項７】
照明光学系であって、
レーザ光源と、
インテグレータ素子と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記インテグレータ素子に導くことが可能であり、前記インテグレータ素子への前記レーザ光の入射角を変化させるように揺動する揺動素子と、
前記揺動素子から出射された前記レーザ光を集光する集光素子と、を含む照明光学系と、
分光光学系であって、
中心を持つ第１の円に沿って設けられた凹面を有する反射部材と、
エッジ部を有し、前記第１の円と同心状の第２の円に沿って凸形状に設けられ、前記反射部材の前記凹面で反射された光が入射する回折格子と、
前記回折格子から出射された６００nm以上１１００nm以下の波長領域を有する、前記凹面で反射された回折光が、前記分光光学系へ入力された入力光と前記回折格子のエッジ部との間を通るように、前記反射部材及び前記回折格子に対する所定の位置に配置された入力素子と、を含む分光光学系と
前記集光素子から出射された前記レーザ光が集まる面と、前記入力素子に入射される前記レーザ光の入力面とを光学的に共役に保つ光学系と
を具備する分光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、レーザ光を利用した照射光学系、分光測定用光照射装置及びこれらを用いた分光測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザ光を利用した、プロジェクタ、露光装置、アニール装置、あるいは分光計等がある。高コヒーレンシーなレーザ光は、その照射面に干渉縞が発生して照度ムラが発生するという問題があった。
【０００３】
一般的に、ハロゲンランプやＬＥＤ（Light Emitting Diode）ランプ等から出射されるインコヒーレンシーな光は、フライアイレンズ等のレンズアレイ素子を利用することで、照度ムラが抑制される。具体的には、フライアイレンズにインコヒーレンシーな光が入射することにより、その光はそれらレンズごとに分割され、分割された光がコンデンサレンズによって重ね合わせられることにより、照度ムラが抑制される。
【０００４】
しかしながら、レーザ光が用いられる場合、レーザ光の高コヒーレンシーが原因で、フライアイレンズを利用しても干渉縞が発生するという問題は避けられなかった。
【０００５】
特許文献１には、そのような干渉縞の発生を抑制して照度の均一性を高めることができるレーザ照射装置が開示されている。このレーザ照射装置は、フライアイレンズ（７）と、フライアイレンズ（７）の光の入射側に設けられた偏光解消板（６）とを備える。偏光解消板（６）は、複数の位相差板（６ａ〜６ｄ）がマトリクス状に配列されて構成される。それら各位相差板（６ａ〜６ｄ）は、フライアイレンズ（７）のレンズセルに１：１で対応している。したがって、各レンズセルを個別に通過して偏光状態が相互に異なるレーザ光が、照射面（１１）上で重ねられ、照射面（１１）上では、レーザ光は疑似的なランダム偏光となる（例えば、特許文献１の明細書段落[００１５]及び[００２０]参照）。
【０００６】
また、本願に関連する技術として、特許文献２にオフナー型の分光器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１７５２１３号公報
【特許文献２】特開２００８−５１０９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載のレーザ照射装置は、直交する偏光成分同士、つまり、隣合うレンズセルを出射したレーザ光の干渉を回避できる。しかし、隣り合わないレンズセル間でのレーザ光の干渉を回避することはできない。つまり高次の干渉は回避できない。
【０００９】
したがって、本技術の目的は、レーザ光を利用した光学装置であっても、干渉縞の発生を抑えることができる照明光学系、分光測定用光照射装置及び分光測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本技術に係る照明光学系は、レーザ光源と、インテグレータ素子と、揺動素子と、集光素子とを具備する。
前記揺動素子は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記インテグレータ素子に導くことが可能であり、前記インテグレータ素子への前記レーザ光の入射角を変化させるように揺動する。
前記集光素子は、前記揺動素子から出射された前記レーザ光を集光する。
【００１１】
揺動素子が、インテグレータ素子へのレーザ光の入射角を変化させるように揺動するので、集光素子から時間平均で均一な光を出射させることができる。つまり、インテグレータ素子による干渉縞の発生を抑制することができる。
【００１２】
前記インテグレータ素子は、第１のインテグレータ要素と、前記第１のインテグレータ要素から出射された前記レーザ光が入射する第２のインテグレータ要素とを有してもよい。第２のインテグレータ要素は、フィールドレンズとして作用するので、照明光のエッジを先鋭化することができる。
【００１３】
前記第１のインテグレータ要素は、所定のピッチで配列された複数のレンズを含む第１のレンズアレイを有してもよい。
【００１４】
また、前記第２のインテグレータ要素は、前記第１のレンズアレイの前記ピッチで配列された、前記第１のレンズアレイの前記複数のレンズと光軸方向で対応して配列された複数のレンズを含む第２のレンズアレイを有してもよい。
【００１５】
そして、前記第１のレンズアレイの前記複数のレンズのうちの第１のレンズから出射された前記レーザ光のビームが、前記第１のレンズに光軸方向で対応して配置された、前記第２のレンズアレイの前記複数のレンズのうちの第２のレンズに入射されるように、揺動素子が揺動してもよい。
【００１６】
前記インテグレータ素子は、複数のレンズの配列であるレンズアレイを有してもよい。その場合、前記揺動素子は、前記インテグレータ素子へ入射する前記レーザ光の揺動幅が、前記複数のレンズのうち単一のレンズの幅以下となるように、揺動する。これにより、確実に干渉縞の発生を防止することができる。
【００１７】
前記揺動素子は、共振ミラーまたは音響光学素子であってもよい。
【００１８】
本技術に係る分光測定用光照射装置は、前記照明光学系を含む分光測定用光照射装置である。
【００１９】
本技術に係る分光測定装置は、前記照明光学系と、反射部材と、回折格子と、入力素子と、光学系とを具備する。
前記反射部材は、中心を持つ第１の円に沿って設けられた凹面を有する。
前記回折格子は、エッジ部を有し、前記第１の円と同心状の第２の円に沿って凸形状に設けられ、前記反射部材の前記凹面で反射された光が入射する。
前記入力素子は、回折光が、前記分光光学系へ入力された入力光と前記回折格子のエッジ部との間を通るように、前記反射部材及び前記回折格子に対する所定の位置に配置される。前記回折光は、前記回折格子から出射された６００nm以上１１００nm以下の波長領域を有する、前記凹面で反射された回折光である。
前記光学系は、前記集光素子から出射された前記レーザ光が集まる面と、前記入力素子に入射される前記レーザ光の入力面とを光学的に共役に保つ。
【発明の効果】
【００２０】
以上、本技術によれば、レーザ光を利用した光学装置であっても、干渉縞の発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１Ａ及びＢは、参考例に係る照明光学系を示す図である。
【図２】図２は、本技術の第１の実施形態に係る照明光学系を示す図である。レーザダイオードの短軸方向を紙面垂直方向として見た図である。
【図３】図３は、揺動素子によるレーザビームの振れ角の範囲を示した図である。
【図４】図４は、本技術の第２の実施形態に係る照明光学系を示す図である。
【図５】図５Ａ〜Ｃは、本技術の第３の実施形態に係る照明光学系を示し、それぞれ９０°異なる角度で見た図である。
【図６】図６は、本技術の第４の実施形態に係る照明光学系を示す図である。
【図７】図７Ａ〜Ｃは、そのイメージセンサで撮影された、スクリーン上で形成されたビームラインの強度分布を示している。
【図８】図８は、図７Ｂ及びＣにそれぞれ対応する照明光学系により生成されたレーザビームの、長軸方向を横軸スケールとして、縦軸にそのビームの強度をプロットしたグラフである。
【図９】図９Ａは、上記第２の実施形態に係る照明光学系によって得られる照明光のエッジのボケを示す。図９Ｂは、上記第４の実施形態に係る照明光学系において、インテグレータレンズの焦点距離を集光レンズの焦点距離に近づけた場合の、照明光のエッジのボケを示す。
【図１０】図１０Ａは、オフナー型の等倍光学系（リレー光学系）の原理を示す図である。図１０Ｂは、上記オフナー型光学系を応用したオフナー型分光器の原理を示す図である。
【図１１】図１１は、本技術の第１の実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【図１２】図１２Ｂ〜Ｄは、図１２Ａに示した回折格子の入射面の破線四角部分を拡大してそれぞれ示した例である。
【図１３】図１３は、本技術の第２の実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【図１４】図１４は、上記第２の実施形態に係る分光光学系の実施例を示す図である。
【図１５】図１５は、上記実施例に係る分光光学系において、Arランプの照明を観察した際のデータを示す。
【図１６】図１６は、上記実施例に係る分光光学系を顕微鏡光学系に接続して、１０μmのピッチのラインアンドスペースを観察した例を示す。
【図１７】図１７は、上記実施例に係る分光光学系を用いて測定したArランプのスペクトルを示す。
【図１８】図１８は、図１７における波長８００nm付近の拡大図である。
【図１９】図１９は、図１２Ｃで示した回折格子のＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法による回折効率の計算の例を示す。
【図２０】図２０は、一実施形態に係るラマンイメージング装置（ラマン分光測定装置）の光学系の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
[照明光学系]
【００２３】
（参考例）
図１Ａ及びＢは、参考例に係る照明光学系を示す図である。例えば、図１Ａ及びＢでは、この照明光学系５０を見る方向がそれぞれ９０°異なっている。
【００２４】
この参考例に係る照明光学系５０は、レーザダイオード１１、コリメータレンズ１３、インテグレータレンズ１５、集光レンズ１７を備える。
【００２５】
干渉性を無視した多くのレーザダイオード１１の場合、発光点（エミッタ）の形状は概略矩形である。図１Ａ及びＢに示す例では、矩形の短軸（fast axis）及びこれに直交する長軸（slow axis）のレーザビームにおいて、それぞれ異なる光学系が用いられる。これは、所望のアスペクト比の照射光をスクリーン１９（あるいはサンプル面）上に形成したい場合、例えば、一方の光学系、ここでは長軸方向に対応する第２の光学系で、スクリーン１９に均一なライン状の光を照射させたいという要求がある場合に、その第２の光学系をケーラー照明光学系とするためである。
【００２６】
以下では、説明の便宜のため、図１Ａに示す光学系を第１の光学系といい、図１Ｂに示す光学系を第２の光学系という。
【００２７】
レーザダイオード１１から出射されたレーザビームは、コリメータレンズ１３で平行光にされる。コリメータレンズ１３から出射されたレーザビームの強度プロファイルは、短軸方向ではガウシアン分布（TEM00）を有する。一方、長軸方向のレーザビームの強度プロファイルは、不均一な分布（TEM05）を有する。
【００２８】
第１及び第２の光学系において異なる点は、インテグレータレンズ１５の形状である。インテグレータレンズ１５として、複数のシリンドリカルレンズ１５ａ（レンズアレイ）が、レーザビームの長軸方向に配列されて構成される、レンチキュラー状のレンズが用いられる。すなわち、インテグレータレンズ１５は、レーザビームに対して長軸方向においてパワーを持ち、短軸方向ではパワーを持たない。
【００２９】
図１Ｂに示すように、平行光にされたレーザビームがインテグレータレンズ１５によって分割され、集光レンズ１７によって重ね合わせられる。これにより、長軸方向では、スクリーン１９に照射された光の強度が均一化される。
【００３０】
インテグレータレンズ１５は、レーザダイオード１１の短軸方向ではパワーを持たず、ガウシアン分布の強度プロファイルのビームがそのままサンプル面に照射される。この第１の光学系は、クリティカル照明光学系となる。
【００３１】
スクリーン１９での照明幅（ビームの照射範囲）Ｗは、次の式で定められる。
【００３２】
【数１】
2013183108.tif 000003
・・・式１
【００３３】
p：インテグレータが持つ各シリンドリカルレンズ１５ａのピッチ
fcond：集光レンズ１７の焦点距離
finteg：インテグレータレンズ１５の焦点距離
【００３４】
式１は、インテグレータレンズ１５による集光ポイントの位置と、集光レンズ１７の焦点距離fcondでの位置とが一致するように配置されていることを意味する。
【００３５】
このように第２の光学系にケーラー照明光学系を採用しても、インテグレータレンズ１５に起因する干渉縞が生じたり、波面のわずかな揺らぎによるスペックルが生じたりする可能性がある。
【００３６】
（第１の実施形態に係る照明光学系）
【００３７】
図２は、本技術の第１の実施形態に係る照明光学系を示し、レーザダイオード１１の短軸方向を紙面垂直方向として見た図である。
【００３８】
この照明光学系１００は、レーザ光源としてレーザダイオード１１、コリメータレンズ１３、揺動素子１０、インテグレータ素子としてのインテグレータレンズ１５、集光素子としての集光レンズ１７を備える。
【００３９】
インテグレータレンズ１５は、上記の図１Ａ及びＢに示したものと同様に、レーザダイオード１１の長軸方向でパワーを持ち、短軸方向ではパワーを持たない、レンチキュラー状のレンズである。このため、本実施形態に係る短軸側のレーザビームのスクリーン１９（あるいはサンプル面）における形状は、図１Ａに示したものと実質的に同様の形状を有し、また、その短軸側の光学系の図を省略している。
【００４０】
インテグレータレンズ１５の入射面及び出射面の両方が凸形状に形成されている。
【００４１】
なお、上記参考例と同様に、インテグレータレンズ１５のパワーを持たない短軸側の光学系は、クリティカル照明光学系となる。このため、スクリーン１９上での短軸方向の照明光の幅は、コリメータレンズ１３及び集光レンズ１７の各焦点距離の比を、エミッタの短軸方向の長さに乗じた長さとなる。
【００４２】
揺動素子１０は、コリメータレンズ１３側からのレーザビームを反射してインテグレータレンズ１５に導くことが可能であり、インテグレータレンズ１５へのレーザビームの入射角を変化させるように揺動する素子である。
【００４３】
揺動素子１０として、典型的には共振ミラーが用いられる。共振ミラーは、短軸方向の回転軸１０ａを中心に所定の角度回転し、及び、その逆方向に前記所定の角度回転する、つまり振動するように構成されている。共振ミラーは、典型的には、ミラー、永久磁石及びコイル配線を有し、電磁駆動により振動する。例えば、永久磁石により形成された磁場中で、ミラー面の周囲に設けられたコイルに交流電流が流れることにより、ミラーが加振される。
【００４４】
揺動素子１０の振動数は、この照明光学系１００が適用される装置により適宜設定され得る。例えば、人が肉眼でこの照明光学系１００に照明された対象物を見る（あるいは観察する）場合、その振動数は、少なくとも人がその振動を知覚できない程度の振動数である。あるいは、この照明光学系１００に照明された対象物を、イメージセンサが検出する場合、その振動数は、そのイメージセンサの露光時間よりも十分に短い周期での振動数である。
【００４５】
共振ミラーが用いられる場合、その振動はサインカーブを形成する。したがって、共振ミラーは振れ中心で最速で動作し、振れ角最大で速度が0となる。インテグレータレンズ１５が設けられない場合に、この共振ミラーが使用されると、そのレーザビームの両端でのパワー密度が大きくなり、中心が暗くなり、強度ムラが発生する傾向にある。しかし、インテグレータレンズ１５を用いることにより、その振動による強度ムラの発生が抑えられ、強度が均一化される。
【００４６】
次に、揺動素子１０によって、インテグレータレンズ１５に入射するレーザビームの入射角θについて説明する。
【００４７】
インテグレータレンズ１５に入射するビームの入射角θの範囲は、典型的には、以下の式によって設定される。
【００４８】
【数２】
2013183108.tif 000004
・・・式２
【００４９】
n：屈折率
r：インテグレータレンズの曲率半径
λ：レーザビームの波長
【００５０】
このように、ビーム角が変調されることによってスクリーン１９で生じる干渉縞の位置も変化する。したがって、スクリーン１９に照射された照明は、時間平均すると均一な照明とみなすことができる。
【００５１】
ここで、式２のうち、入射角θの上限（下記の式３）について説明する。
【００５２】
【数３】
2013183108.tif 000005
・・・式３
【００５３】
式３で表された入射角θの範囲の意味は、ビーム（ここではビームのエッジと考える方が理解しやすい）が、インテグレータレンズ１５のある単一のシリンドリカルレンズ１５ａに入射し、その同じ単一のシリンドリカルレンズ１５ａから出射する条件を示している。つまり、揺動素子１０は、インテグレータレンズ１５へ入射するレーザビームの振動幅が、その単一のシリンドリカルレンズ１５ａの幅以下となるように振動する。
【００５４】
図３は、揺動素子１０によるレーザビームの振れ角（ここでは入射角θ）の範囲を示した図である。図３中、破線で示されたビームは、第１のシリンドリカルレンズ１５ａ１に入射し、その隣の第２のシリンドリカルレンズ１５ａ２から出射している。この破線のビームは、上記した式１（W=p×fcond/finteg）から逸脱したビームとなり、適したアスペクト比が得られない。
【００５５】
式３の条件によれば、平行光に対して照明光の長軸方向でのエッジの立ち上がりが最も良くなり、スクリーン１９上の照明範囲が鮮明となる。これに対し、ビームの入射角θが大きくなり過ぎると、照明光の長軸方向でのエッジがぼける。また、集光レンズ１７の焦点距離fcond及びインテグレータレンズ１５の焦点距離fintegの比（fcond/finteg）が小さいほど、レーザビームの入射角θに対する、そのエッジの立ち上がり精度がシビアになる傾向がある。
【００５６】
次に、式２のうち、入射角の下限（下記の式４）について説明する。
【００５７】
【数４】
2013183108.tif 000006
・・・式４
【００５８】
スクリーン１９上で生じる、インテグレータレンズ１５に起因する干渉縞のピッチ以上の幅でレーザビームが振動するために、式４を満たすことが望ましい。インテグレータレンズ１５及び集光レンズ１７は、それぞれの焦点距離finteg及びfcondに対応する位置にそれぞれ配置される。このことから、スクリーン１９上でのビームの移動量は、結局インテグレータレンズ１５の焦点距離fintegで決まり、移動量aは、a=fintegtanθとなる。干渉縞のピッチはλ・fcond/pである。つまり、fintegtanθ>λ・fcond/pとなることが望ましいので、上記式４が得られる。
【００５９】
以上のように、本実施形態に係る照明光学系１００では、揺動素子１０が、インテグレータレンズ１５へのレーザ光の入射角を変化させるように揺動するので、集光レンズ１７から時間平均で均一な光を出射させることができる。つまり、インテグレータレンズ１５による干渉縞やスペックルの発生を抑制することができ、所望のホモジナイズ効果を得ることができる。
【００６０】
また、揺動素子１０の振れ角（入射角θ）が上記のように設定されることにより、確実に干渉縞やスペックルの発生を防止することができる。
【００６１】
ここで、特開平８−１１１３６８号公報に記載された装置は、フライアイレンズという比較的質量の大きい素子をメカニカルに振動させる。そのため、信頼性が劣り、また、装置の長期の使用に耐えられないという問題がある。しかし、本技術によればこのような問題を解消することができる。
【００６２】
（第２の実施形態に係る照明光学系）
【００６３】
図４は、本技術の第２の実施形態に係る照明光学系を示す図である。これ以降、第４の実施形態に係る照明光学系の説明までは、図２等に示した実施形態に係る照明光学系１００が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【００６４】
この照明光学系２００は、複数のインテグレータレンズ１５を含むインテグレータ素子１５０を備える。第１のインテグレータレンズ１５１（第１のインテグレータ要素）は、揺動素子１０で反射されたレーザビームが入射される。第２のインテグレータレンズ１５２（第２のインテグレータ要素）には、第１のインテグレータレンズ１５１から分割されたレーザビームが入射する。
【００６５】
第１のインテグレータレンズ１５１は、上記実施形態と同様に、レーザビームの長軸方向でパワーをそれぞれ持つ複数のシリンドリカルレンズを有する。第２のインテグレータレンズ１５２も、この第１のインテグレータレンズ１５１と同様の構成を有し、光軸方向で第１のインテグレータレンズ１５１の各シリンドリカルレンズに対応するようにそれぞれ配置された同じ数のシリンドリカルレンズを有する。つまり、両方のインテグレータレンズ１５１及び１５２の各シリンドリカルレンズのレンズピッチが実質的に同じとされている。これにより、第１のインテグレータレンズ１５１の各シリンドリカルレンズで分割されたレーザ光が、それらシリンドリカルレンズに光軸方向でそれぞれ対応する、第２のインテグレータレンズ１５２のシリンドリカルレンズにそれぞれ入射する。
【００６６】
また、第１のインテグレータレンズ１５１の出射面及び第２のインテグレータレンズ１５２の入射面は、それぞれ平面に形成されている。
【００６７】
２つのインテグレータレンズ１５１及び１５２の各シリンドリカルレンズの曲率、すなわちパワーも実質的に同じとされることが望ましい。また、第１のインテグレータレンズ１５１の焦点位置が、第２のインテグレータレンズ１５２の主平面１５２ａに位置するように、両者が配置されることが望ましい。主平面１５２ａは、第２のインテグレータレンズ１５２の各凸面の頂点を通る平面である。
【００６８】
以上のように構成された第２のインテグレータレンズ１５２は、フィールドレンズとしての機能を果たす。
【００６９】
例えば、上記第１の実施形態のように１つのインテグレータレンズ１５が用いられる場合、条件（インテグレータレンズ１５の焦点距離が、集光レンズ１７の距離に近づく場合）によっては、スクリーン１９上での照射光のエッジの先鋭度が損なわれる場合がある。これに対し本実施形態では、第１のインテグレータレンズ１５１により外側に倒れた光を、第２のインテグレータレンズ１５２が内向きに戻すように作用する。これにより、集光レンズ１７での重ね合わせが向上して、照明光のエッジを先鋭化することができる。
【００７０】
なお、インテグレータレンズ１５の焦点距離が、集光レンズ１７の焦点距離に比較的近い場合を想定しても、集光レンズ１７の焦点距離の方が、インテグレータレンズ１５の焦点距離と比べ、10〜20倍程度大きい。
【００７１】
（第３の実施形態に係る照明光学系）
【００７２】
図５Ａ〜Ｃは、本技術の第３の実施形態に係る照明光学系を示し、それぞれ９０°異なる角度で見た図である。
【００７３】
本実施形態に係る照明光学系３００は、２つの揺動素子として、第１の揺動素子３１と、第２の揺動素子３２とを備えている。これらの揺動素子３１及び３２として、上記第１及び第２の実施形態と同様に、共振ミラーが用いられる。第１の揺動素子３１は、レーザビームの短軸（Ｚ軸）を回転軸として振動する。第２の揺動素子１０は、レーザビームの長軸（Ｙ軸）を回転軸として振動する。
【００７４】
コリメータレンズ１３からＹ軸方向に沿って出射したレーザビームは、第１の揺動素子３１により長軸方向で振動するように反射され、これによりＸ軸方向へ進む。第１の揺動素子３１で反射されたレーザビームは、第２の揺動素子３２により短軸方向に振動するように反射され、これによりＺ軸方向へ進む。
【００７５】
インテグレータレンズ（インテグレータ素子）としては、図５Ｂ及びＣに示すように、それら短軸及び長軸の両方向のパワーを持つフライアイレンズ３５が用いられる。つまり、フライアイレンズ３５は、凸レンズがマトリクス状に配列されたレンズアレイを有する。
【００７６】
本実施形態においても、上記式１が、短軸及び長軸の両方においてそれぞれ成立し、また、上記式２も、短軸及び長軸の両方においてそれぞれ成立する。
【００７７】
本実施形態によれば、長軸及び短軸の両方向で干渉縞及びスペックルの発生を抑制し、それら両方向におけるスクリーン１９上の照射光を均一にすることができる。
【００７８】
（第４の実施形態に係る照明光学系）
【００７９】
図６は、本技術の第４の実施形態に係る照明光学系を示す図である。
【００８０】
照明光学系４００は、第１の実施形態に係る照明光学系１００を主にラマン分光測定装置（ラマンイメージング装置）の照明光学系として適用した一例である。ラマン散乱光とは、サンプルにレーザ光を当てた場合に、サンプルを構成する分子の分子振動分だけ波長がシフトして発生した散乱光である。ラマンイメージングとは、その散乱光のスペクトルを２次元で検出する装置である。
【００８１】
ラマンイメージング装置は、この照明光学系４００を用いて、均一なライン上の照明を作り、サンプルを照明する。ストークスラマン散乱検出の場合、後でも述べるように、その照明によって励起されたラマン散乱光の特定波長領域をハイパスフィルタで制限し、分光装置（分光光学系）に入射させる。
【００８２】
照明光学系４００は、レーザダイオード１１、コリメータレンズ群１３０、アイソレータ１２、ＮＤフィルタ１４、凸面シリンドリカルレンズ１６１、凹面シリンドリカルレンズ１６２、揺動素子１０、インテグレータレンズ１５、集光レンズ１７、及び、レーザラインフィルタ２１を備える。
【００８３】
ラマン散乱励起用のレーザの線幅は散乱光の線幅に影響する。したがって、レーザの単色性として半値幅０．１nm程度が要求され、そのレーザはコヒーレンシーも高い。典型的には、レーザ光源として、波長７８５nmのレーザダイオードが使用される。
【００８４】
レーザのエミッタの形状は短軸１μm×長軸１００μmであり、マルチモードレーザダイオードが用いられる。また、単色性及び温度特性を改善するために、コリメータレンズ群１３０によるコリメート後に、波長選択外部共振器として回折格子が設けられる場合もある。このレーザ光源のＦＦＰ（Far Field Pattern）は、TEM05状で不均一なビームプロファイルを持っている。
【００８５】
このレーザダイオード１１の光源は、１４０００μm×８０μmの均一な高アスペクト比の光源となるように成形されている。アスペクト比はこの場合ラマン分光器で検出する領域とスリット幅と同程度になるように決定される。
【００８６】
コリメータレンズ群１３０は、例えば短軸用コリメータレンズ１３１及び長軸用コリメータレンズ１３２を有する。
【００８７】
アイソレータ１２は、偏光ビームスプリッタ１２１及びλ/4板１２２を有する。アイソレータ１２は、コリメータレンズ群１３０からのレーザビームを透過し、λ/4板１２２より後段の各素子から反射したレーザビームがレーザ光源に戻らないように偏光ビームスプリッタ１２１によって反射する。
【００８８】
ＮＤフィルタ１４は、レーザビームの濃度（光量）を調整するフィルタである。
【００８９】
凸面シリンドリカルレンズ１６１及び凹面シリンドリカルレンズ１６２は、平行光のままそのビーム径を4.8倍に拡大する。
【００９０】
揺動素子１０としては、上記第１及び第２の実施形態と同様に、共振ミラーが用いられる。共振ミラーの回転軸は、短軸方向に沿って設けられている。
【００９１】
インテグレータレンズ１５は、上記第１及び２の実施形態で示したように、長軸方向で配列された複数のシリンドリカルレンズのレンズアレイを有する。この照明光学系４００は、短軸側はクリティカル照明であるためホモジナイズが不要であり、インテグレータレンズ１５は短軸方向では単純な反射面として機能する。
【００９２】
なお、図６では、このインテグレータレンズ１５を通る、振動するレーザビームを拡大して示している。
【００９３】
集光レンズ１７の焦点距離とインテグレータレンズ１５の焦点距離の比（fcond/finteg）は５６である。そのため、共振ミラーによるレーザビームの振れ角に対して、スクリーン１９上（サンプル面）での照射光の移動量は小さく抑えられる。インテグレータレンズ１５によって発生するレーザビームの干渉縞のピッチは約３００μmであり、サンプル面での照明光の振動量が2倍の約６００μmになるように、共振ミラーの振れ角は１．５°程度とされる。また、その振れ角は、上記式２を満たす。
【００９４】
共振ミラーの振動数は、後述する分光装置のイメージセンサの露光時間よりも十分に短い周期の振動数であり、例えば、そのイメージセンサによる露光時間の1/10程度の周期でよい。典型的には、その振動数は、約560Hzの共振周波数である。
【００９５】
レーザラインフィルタ２１は、レーザの裾野をカットし、また、レンズ内で生じた蛍光やラマン散乱光をカットする。
【００９６】
図７Ａ〜Ｃは、そのイメージセンサで撮影された、スクリーン１９上で形成されたビームラインの強度分布を示している。横方向が長軸方向を示す。
【００９７】
図７Ａは、インテグレータレンズ１５が無く、かつ、共振ミラーの振動を無くした（単なるミラーとして使用した）場合を示す。この例では、ビームの強度分布はTEM05状の節を持っており、レーザダイオード１１のエミッタ形状をそのまま観察している状態、つまりクリティカル照明となっている。
【００９８】
図７Ｂは、インテグレータレンズ１５が設けられ、共振ミラーの振動を無くした場合を示す。この例は、ケーラー照明光学系を実現しているものの、インテグレータレンズ１５に起因する干渉縞が観察される。
【００９９】
図７Ｃは、本技術に係る第４の実施形態の場合を示す。図７Ａで見られる節及び図７Ｂで見られる干渉縞をキャンセルすることができている。
【０１００】
図８は、図７Ｂ及びＣにそれぞれ対応する照明光学系により生成されたレーザビームの、長軸方向を横軸スケールとして、縦軸にそのビームの強度をプロットしたグラフである。縦軸の強度は、デジタル値で示されている。実線で表される第４の実施形態に係る照明光の強度分布の均一性が、図７Ｃの場合に比べ大幅に向上していることが確認できる。
【０１０１】
次にスクリーン１９に照射される照射光のエッジのボケについて説明する。
【０１０２】
図９Ａは、上記第２の実施形態に係る照明光学系２００によって得られる照明光のエッジのボケを示す。図９Ａの上が、強度分布を示し、図９Ａの下が強度分布のプロファイルを示す。この実験は、上記第４の実施形態に係る照明光学系４００における１つのインテグレータレンズ１５を、第２の実施形態に係る照明光学系２００のように、２つ１組のインテグレータ素子１５０に置き換えた装置で行われた。
【０１０３】
一方、図９Ｂは、上記第４の実施形態に係る照明光学系４００において、上述のようにインテグレータレンズ１５の焦点距離を集光レンズ１７の焦点距離に近づけた場合の、照明光のエッジのボケを示す。共振ミラーで反射されたレーザビームがインテグレータレンズ１５に斜入射する場合（レーザビームが振動するため）にこのような現象が見られる。しかし、上記第２の実施形態のように２つ１組のインテグレータ素子１５０が用いられることにより、図９Ａに示すように、エッジのボケの発生を抑えることができる。
【０１０４】
もちろん、インテグレータレンズ１５の焦点距離及び集光レンズ１７の焦点距離が比較的離れた値であれば、照明光学系４００を用いてもこのようなエッジのボケの発生は起こらない。
【０１０５】
なお、図９Ａ及びＢの各上の図は、グレースケールで分かりにくいが、これらのオリジナルの図はカラー図で示される。
【０１０６】
以上のように、上記各実施形態に係る照明光学系が分光測定用光照射装置に適用されることにより、均一な照明光が得られ、輝度均一性の高い画像の取得を実現することができる。分光測定装置としては、典型的にはラマンイメージング装置が挙げられるが、他の分光測定装置であってもよい。
【０１０７】
以上説明した各実施形態に係る照明光学系は、分光測定装置のほか、プロジェクタ等にも適用可能である。あるいは、上記各実施形態に係る上記照明光学系は、露光装置やアニール装置等、プロセス装置にも適用可能である。照明光学系がプロセス装置に適用される場合、製造されるデバイスの性能の面均一性を向上させることができる。
【０１０８】
[分光光学系]
【０１０９】
以下、分光光学系について説明する。
【０１１０】
まず、オフナー型光学系及びこれを用いたオフナー型分光器を説明する。
【０１１１】
（参考例に係るオフナー型光学系）
図１０Ａは、オフナー型の等倍光学系（リレー光学系）の原理を示す図である。このオフナー型光学系４０は、第１の円（の一部）に沿って設けられた主鏡４１と、第２の円（の一部）に沿って設けられた副鏡４２とを有する。主鏡４１は凹面鏡であり、副鏡４２は凸面鏡である。
【０１１２】
このオフナー型光学系４０に入力され主鏡４１に入射した光４６は、主鏡４１で反射され、副鏡４２で反射され、再び主鏡４１で反射されて、このオフナー型光学系４０から出力される。このようなオフナー型のリレー光学系は、光学収差及びディストーションが非常に少ないという特性を持っている。
【０１１３】
（参考例に係るオフナー型分光器）
図１０Ｂは、上記オフナー型光学系４０を応用したオフナー型分光器４５の原理を示す図である。
【０１１４】
オフナー型分光器４５は、図１０Ａに示した光学系の副鏡４２の代わりとして、回折格子４７が用いられる。すなわちこの回折格子４７の光の入射面の全体形状は、その第２の円に沿った凸形状に形成されている。スリット４３を介して入力された光が、主鏡４１で反射され、回折格子４７に入射する。回折格子４７から出射された特定波長領域の回折光４８は、再び主鏡４１で反射され、所定位置に配置されたイメージセンサ４４に入射する。イメージセンサ４４はこの回折光４８を検出する。
【０１１５】
上記したように、このようなオフナー型の光学系を有する分光器４５は、イメージング分光器と呼ばれ、スリット像のディストーションを抑制することができる。また、上記したように、オフナー型分光器に関する技術は、例えば上記特許文献２（特開２００８−５１０９６４号公報）に開示されている。
【０１１６】
（第１の実施形態に係る分光光学系）
【０１１７】
図１１は、本技術の第１の実施形態に係る分光光学系を示す図である。
【０１１８】
この分光光学系５００は、上述のオフナー型の光学系を利用する。分光光学系５００は、スリット素子５３と、反射部材５１（上記主鏡に相当）と、回折格子５２とを備える。
【０１１９】
スリット素子５３は、スリットを有し、入力素子の全部または一部として機能する。スリット素子５３は、外部からこの分光光学系５００に入力された入力光（ここではレーザビーム）の径をスリットにより絞り、その入力ビーム５６を反射部材５１の凹面に導く。図示しないが、光軸方向で見たスリットの形状は、典型的には円形である。スリット形状は、そのほか、多角形、楕円、ライン状等などでもよい。
【０１２０】
スリット素子５３は、入力ビーム５６の広がり角を示すＮＡ（Numerical Aperture）として０．１程度、あるいはそれ以下のＮＡのビームを形成するスリットを有する。
【０１２１】
反射部材５１は、仮想上の第１の円Ｃ１に沿って設けられた凹面を有し、この凹面でスリット素子５３からの入力ビームを、回折格子５２に向けて反射する。
【０１２２】
回折格子５２は、仮想上の第２の円Ｃ２に沿って凸形状に設けられている。すなわち、回折格子５２の入射面の全体形状が凸形状に形成されている。
【０１２３】
第１の円Ｃ１及び第２の円Ｃ２は、同心円関係にある。第１の円Ｃ１の曲率半径をRとすると、第２の円Ｃ２の曲率半径は、実質的にR/2となるように、反射部材５１の凹面及び回折格子５２の入射面の各曲率が設定されている。R/2という数字は、オフナー型の分光光学系５００を実現することが目的とされた値であり、それを実現できれば、誤差の範囲（(R/2)±5%）を含んでもよい。つまり、R/2±（R/2×0.05）である。
【０１２４】
回折格子５２は、次のような配置に設定されている。第１の円Ｃ１及び第２の円Ｃ２に同軸である中心軸Ｃ０（図中、Ｚ軸に沿った軸）に直交する（Ｙ軸に沿った）軸（第１の軸）Ｄ１と、この回折格子５２とが交わる点が、この回折格子５２の主点となるように回折格子５２が配置されている。反射部材５１の凹面で反射された入力ビーム５６は、この主点に交わるように入射角αで回折格子５２に入射する。以下では、上記第１の軸Ｄ１を、説明の便宜上、中心直交軸Ｄ１という。
【０１２５】
スリット素子５３を出射した入力ビーム５６の光軸は、中心直交軸Ｄ１に平行とされている。中心直交軸Ｄ１と、この反射部材５１に入射する入力ビーム５６の光軸に一致する軸（第２の軸）Ｄ２との距離Ｌは、次のように設定される。
【０１２６】
R/5<L<R/4
【０１２７】
図１２Ｂ〜Ｄは、図１２Ａに示した回折格子５２の入射面５２１の破線四角部分を拡大してそれぞれ示した例である。
【０１２８】
図１２Ｂに示す回折格子５２Ｂは、ブレーズ型の回折格子５２である。ブレーズ角βは、１９〜２３°程度である。ブレーズ頂角γは９０°である。この場合、この回折格子５２Ｂの入射面５２１の長辺５２１ａが、入力ビームに垂直とされるように、つまり、入射角が０°となるように、入力ビーム及び回折格子５２の配置が設定される。これにより、回折効率が最大化される。
【０１２９】
図１２Ｃに示す回折格子５２Ｃは、上記同様にブレーズ型の回折格子である。この回折格子５２Ｃと、図１２Ｂの回折格子５２Ｂと異なる点は、ブレーズ頂角γ’が９０°より大きく形成されている。この例では、入力ビームの入射角がα（=１８０−β−γ’）となっている。つまり、入射角は上記したような０°でなくてもよい。
【０１３０】
図１２Ｄに示す回折格子５２Ｄは、ホログラフィックと呼ばれるサイン波形状の入射面を有する回折格子５２である。回折効率は、図１２Ｂ及びＣに示す例と比べて劣る。
【０１３１】
図１２Ｂ〜Ｄに示した回折格子５２Ｂ〜Ｄのピッチは、典型的には１２５０nmとされるが、これに限られない。このピッチは、検出対象とされる、回折光の波長領域によって異なる。
【０１３２】
これら回折格子５２の溝の深さは、検出対象となる上記波長領域の中心波長λ3とすると、その半分（λ3/2）とされる。
【０１３３】
これら回折格子５２の1mm当りの溝の数は、３００〜１０００、４００〜９００、または、５００〜８００である。
【０１３４】
上記のように構成された回折格子５２から出射されたλ1以上λ2以下（図１１参照）の波長領域を有する、反射部材５１の凹面で反射された回折光５８が、スリット素子５３から出射された入力ビーム５６と回折格子５２のエッジ部５２ａとの間を通る。つまり、上記波長領域を有する回折光は、中心直交軸Ｄ１に対して入射ビーム側に出射し、その回折格子５２からの出射角は上記入射角αより小さい。上記のようにＮＡが０．１程度、あるいはそれ以下であるため、Ｙ軸方向に沿う、入力ビーム５６と回折光５８が混ざり合うことはない。λ1の短波長を持つ回折光５８は、中心直交軸Ｄ１寄りの領域を進み、λ2の長波長を持つ回折光５８は、入力ビーム５６の光軸寄りの領域を進む。
【０１３５】
このことは、図１１におけるＸ−Ｙ平面において成立する事実である。すなわち、凹面に入射される入力ビーム５６の光軸、λ1の回折光の光軸、λ2の回折光の光軸、及び、中心直交軸Ｄ１は、実質的に同じＸ−Ｙ平面内にある軸である。
【０１３６】
ＮＡは、０．０３以上であることが望ましい。
【０１３７】
また、中心直交軸Ｄ１と、波長λ2の回折光の光軸との距離は、R/5より小さく設定されている。
【０１３８】
例えば、λ1は６００nm、λ2は１１００nmとされる。あるいは、λ1は７００nm、λ2は１０００nmとされる。
【０１３９】
このようにして、入力ビーム５６と回折格子５２のエッジ部５２ａとの間を通って、分光光学系５００を出力した回折光５８は、所定位置に配置されたイメージセンサ５４により検出される。イメージセンサ５４は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）またはＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等が用いられる。
【０１４０】
このように、本実施形態に係るこのオフナー型の分光光学系５００は、入力ビーム５６と回折格子５２のエッジ部５２ａとの間の領域を回折光が通る６００nm以上１１００nm以下の波長領域を有する回折光５８を検出することができる。
【０１４１】
また、この分光光学系５００はオフナー型であるため、光学収差が少なく、スリット素子５３から入力された入力ビーム像のディストーションを抑えることができる。
【０１４２】
本実施形態によれば、イメージエリアが広大なイメージング分光器及びラマンイメージング装置を提供することができる。
【０１４３】
なお、この第１の実施形態に係る分光光学系５００では、ＮＡが主に０．１以下とされた。このＮＡの制限は、この分光光学系５００が後述の顕微鏡光学系に接続されることを前提にしている。顕微鏡光学系の対物レンズの入口のＮＡは、多くの場合、解像度を高めるために非常に大きな値に設定される。例えば拡大率６０倍の対物レンズであればＮＡは０．７等が普通である。
【０１４４】
逆に、分光光学系５００の出口側であるイメージセンサ５４（カメラ）が取り付けられる側のＮＡは非常に小さく０．０１２程度となる（0.7/60＝0.012）。したがって、分光光学系５００の明るさの指標としてＮＡの大きさを比較する場合があるが、顕微鏡光学系のカメラの取り付けポートのイメージ面にスリット素子５３が直接設置される場合は、大きなＮＡは不要である。ＮＡが０．１程度まで対応していれば十分で、分光光学系５００の全体の明るさは、主に顕微鏡光学系の対物レンズのＮＡにより決まる。
【０１４５】
（第２の実施形態に係る分光光学系）
【０１４６】
図１３は、本技術の第２の実施形態に係る分光光学系６００を示す図である。これ以降、図１１に示した実施形態に係る分光光学系５００が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【０１４７】
分光光学系６００は、入力素子として、スリット素子５３及びプリズムミラー５５を備える。プリズムミラー５５は、第１のミラー面５５１と、これに直角な面である第２のミラー面５５２とを有する。すなわち、これは直角プリズムミラーである。これら、第１のミラー面５５１及び第２のミラー面５５２は、Ｘ軸方向に対して４５°傾くように配置されている。
【０１４８】
イメージセンサ５４は、例えば第１及び第２の円（Ｃ１及びＣ２）の中心の近くに配置され、第２のミラー面５５２から出射された回折光を検出する。
【０１４９】
第１のミラー面５５１に４５°の入射角で入射し、すなわちＸ軸方向に沿って入射した入力ビームは、その第１のミラー面５５１で４５°の反射角で反射される。そして入力ビームは、Ｙ軸方向に沿って反射部材５１の凹面に導かれる。また、回折格子５２で回折され、凹面で反射された回折光は、Ｙ軸方向に沿って第２のミラー面５５２に４５°の入射角で入射する。そして、第２のミラー面５５２で４５°の反射角で反射され、Ｘ軸方向に沿ってイメージセンサ５４に導かれる。
【０１５０】
第１のミラー面５５１及び第２のミラー面５５２が交わる部分である頂部５５３と、中心直交軸Ｄ１との距離Ｍは、典型的には、次のように設定される。検出すべき最も長い波長であるλ2のＹ軸方向の光軸と、入力ビームのＹ軸方向の光軸とが、頂部５５３を通るＹ軸方向に沿う線に対して対称となるように、上記距離Ｍが設定される。
【０１５１】
本実施形態では、プリズムミラー５５が設けられることにより、入力ビームを中心直交軸Ｄ１に直交する方向（Ｘ軸方向）に沿って入射させることができ、また、回折光をＸ軸方向に沿って出射させることができる。これにより、スリット素子５３及びイメージセンサ５４がプリズムミラー５５を挟んで直線的に配置され、スリット素子５３、プリズムミラー５５及びイメージセンサ５４の配置スペースを小さくすることができる。したがって、イメージセンサ５４の設置の自由度を高めることができる。また、このような省スペース化を図ることにより、分光光学系６００の小型化を実現できる。
【０１５２】
ここで、上記第１の実施形態に係る分光光学系６００では、入力光と、出力光である回折光との距離が近くなる。したがって、スリット素子５３及びイメージセンサ５４（カメラ）の物理的大きさによっては、それらをＸ軸方向に沿って配置させることができない場合もあり、これらのレイアウトをシンプルに構成できない場合がある。しかし、この第２の実施形態に係る分光光学系６００によれば、スリット素子５３及びイメージセンサ５４が直線的に配置され、機械的レイアウトがシンプルになる。
【０１５３】
分光光学系６００は、スリット素子５３の前段に、６００nm〜１１００nmの波長領域を有する入力光を通すバンドパフィルタを備えていてもよい。このバンドパスフィルタにより、検出対象となる波長領域外の波長を有する光がプリズムミラー５５によりスリット素子５３側へ戻るという事態の発生を避けることができる。また、分光光学系６００内で迷光の発生を防止することができる。
【０１５４】
しかしながら、６００nm〜１１００nmの波長領域以外の波長を有する光が、設計上、分光光学系６００内に入らないことが分かっていれば、このバンドパスフィルタは不要である。
【０１５５】
（分光光学系の実施例）
【０１５６】
図１４は、上記第２の実施形態に係る分光光学系６００の実施例を示す図である。この設計仕様は、下記の通りである。
【０１５７】
検出対象の波長領域：785〜940nm
イメージ範囲：14 mm（反射部材５１の凹面の曲率半径をRとすると、イメージ範囲は0.07R）
ＮＡ：0.08
波長分解能：0．6nm（イメージセンサ５４のサンプリングは0.15nm）
凹面の曲率半径R：200mm
回折格子５２の入射面の曲率半径(R/2)±5%：103 mm
回折格子５２の刻線数：800本/mm
入射光線シフトL：R/5〜R/4  （L=46mm）
回折格子５２への入射角α：26.6°
【０１５８】
上記の仕様のパラメータは、この分光光学系６００を実現する一例である。凹面及び回折格子５２の入射面間の距離及びそれらの曲率を最適化することにより、ＮＡ＝０．０８における回折限界の解像度を実現することができる。また、このような設計によれば、光学歪であるディストーションも非常に小さくなる。
【０１５９】
図１５は、上記実施例に係る分光光学系において、Arランプの照明を観察した際のデータを示す。ここで空間軸方向とは、本実施例では上記長軸方向である。波長分解能が仕様を満たし、ディストーションが非常に少ないことが分かる。
【０１６０】
図１６は、上記実施例に係る分光光学系を顕微鏡光学系に接続して、１０μmのピッチのラインアンドスペースを観察した例を示す。この図から、中心だけでなく外側も高い解像度があることが確認できる。
【０１６１】
図１７は、上記実施例に係る分光光学系を用いて測定したArランプのスペクトルを示す。このグラフ（特に、図１８で示す波長８００nm付近の拡大図を参照）から、波長分解能０．６nm以下であることが確認できる。
【０１６２】
図１９は、図１２Ｃで示した回折格子５２のＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法による回折効率の計算の例を示す。この場合の回折格子５２の入射面にはAlが蒸着されている。ＴＥ波は、回折格子５２の刻線に平行な方向の偏光波面をもった光線である。ＴＭ波は、回折格子５２の刻線に垂直な方向の偏光波面を持った光線である。
【０１６３】
[分光測定装置]
【０１６４】
次に、上述した照明光学系及び分光光学系６００を備えた一実施形態に係る分光測定装置として、ラマンイメージング装置の一実施形態を示す。図２０は、そのラマンイメージング装置の光学系の構成を示す図である。
【０１６５】
このラマンイメージング装置は、主に、照明光学系４５０と、顕微鏡光学系７００と、図１３に示した分光光学系６００とを備える。
【０１６６】
照明光学系４５０では、図６に示した照明光学系４００のインテグレータレンズ１５が、上述した２つ１組のインテグレータ素子１５０に置き換えられた光学系である。
【０１６７】
レーザダイオード１１（図６参照）を含むＬＤパッケージ１１５は、レーザの波長を安定化させ、狭線幅化させる波長ロック素子を内蔵する。このラマンイメージング装置は、検出範囲である長軸が14mmであり、長軸方向で14mmの領域が均一に照射光として照射される。インテグレータ素子１５０及び揺動素子（共振ミラー）１０が、14mm×0.085mmの照明光を作る。
【０１６８】
照明光学系４５０に設けられたＮＤフィルタ１４は、例えばステッピングモータ２４により回転可能とされた円板状のＮＤフィルタである。揺動素子１０にはこれを駆動するドライバ１１０が接続されている。
【０１６９】
照明光学系４５０から出力したレーザビームは、ダイクロイックビームスプリッタ１０１を介して、顕微鏡光学系７００に入力される。ダイクロイックビームスプリッタ１０１は、特定の波長領域を有するレーザビームを反射し、顕微鏡光学系７００から出力された、ラマンシフトした例えば７９５nm以上の波長のレーザビームを透過させる。
【０１７０】
顕微鏡光学系７００は、顕微鏡用集光レンズ７１及び対物レンズ７２を含む。対物レンズ７２にはサンプルＳが対向して配置される。
【０１７１】
上記ではスクリーン１９として説明した像面１９０と、分光光学系６００のスリット素子５３（の入力面）とは、ダイクロイックビームスプリッタ１０１を介して光学的に共役な面に設置される。この共役面は、顕微鏡用集光レンズ７１及び対物レンズ７２によって同じ倍率で縮小され重なるように結像される。すなわち、本実施形態では、ダイクロイックビームスプリッタ１０１及び顕微鏡光学系７００により、上記の共役関係を保つような光学系が形成されている。
【０１７２】
ダイクロイックビームスプリッタ１０１を透過したレーザビームは、ラマン用励起光カットフィルタ１０２を介して分光光学系６００に入力される。ラマン用励起光カットフィルタ１０２は、ラマン散乱光の波長領域のうち、特定の波長領域の光が分光光学系６００に入射しないようにするために設けられるハイパスフィルタである。
【０１７３】
本実施形態によるラマンイメージング装置では、上記したように、光学収差、ディストーション、また、干渉縞やスペックルの発生を抑制することができる。また、イメージセンサを有するカメラの配置の自由度が向上し、ラマンイメージング装置の小型化を実現できる。
【０１７４】
[その他の実施形態]
【０１７５】
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
【０１７６】
上記揺動素子１０として、電磁作用により駆動される共振ミラーが用いられたが、その駆動手段は、静電作用、圧電作用等が利用されてもよい。それらの場合、その揺動素子１０の駆動部がＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により製造されてもよい。
【０１７７】
揺動素子１０は、必ずしも共振や振動、つまり振幅ゼロで最高速で動くような素子でなくてもよく、例えば実質的に等速度で動くような素子であってもよい。
【０１７８】
あるいは、揺動素子１０としては、振動するミラーではなく、音響光学素子が用いられてもよい。音響光学素子は、音響光学結晶と、この音響光学結晶に設けられた駆動電極等を有する。音響光学素子は、駆動電極を介して音響光学結晶に電圧が加えることにより、結晶の格子定数を可変に制御し、その結晶を通る光の屈折率を制御することができる。これにより、音響光学素子から出射される光を揺動させることができる。
【０１７９】
上記の照明光学系１００は、長軸方向にのみパワーを持つ、あるいは、長軸及び短軸の両方向にパワーを持つインテグレータレンズ１５を備えていた。しかし、照明光学系１００は、例えば短軸方向にのみパワーを持つインテグレータレンズ１５が設けられていてもよい。最終的に得たいアスペクト比を持つ照明光が得られるように、任意の軸方向及び焦点距離が選択され得る。
【０１８０】
上記第４の実施形態に係る照明光学系１００において、アイソレータ１２は無くてもよい。
【０１８１】
例えば図２等に示すように、集光素子として単一の集光レンズ１７が用いられた。しかし、集光素子は、複数の集光レンズ１７を有していてもよい。
【０１８２】
図１３に示した分光光学系６００は、プリズムミラー５５を備え、プリズムミラー５５が第１のミラー面５５１及び第２のミラー面５５２を有していた。しかし、プリズムが設けられず、少なくとも２つのミラー（第１のミラー及び第２のミラー）が設けられていてもい。それら２つのミラーは、Ｘ軸方向に沿って配列される場合に限られず、それら２つのミラーの位置がＹ軸方向の互いにずれていてもよい。
【０１８３】
あるいは、第１のミラー及び第２のミラーのうち、いずれか一方のみが設けていてもよい。この場合、スリット素子５３から出力された光と、センサに入力される光とが９０°折れた状態になる。このような構成であっても光学的特性は第１及び第２の実施形態に係る分光光学系５００及び６００と変わらない。
【０１８４】
上記一実施形態に係るラマンイメージング装置において、像面１９０とスリット素子５３の入力面との共役関係を保つ光学系として、顕微鏡光学系７００及びダイクロイックビームスプリッタ１０１が用いられた。しかし、顕微鏡光学系７００等が用いられる形態に限られず、等倍のリレー光学系により、それらの共役関係を保つ光学系が実現されてもよい。
【０１８５】
上記各実施形態に係る分光光学系及びこれを備えた分光測定装置に用いられるセンサとしてイメージセンサを例に挙げたが、センサは、フォトダイオードであってもよい。
【０１８６】
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
【０１８７】
本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）レーザ光源と、
インテグレータ素子と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記インテグレータ素子に導くことが可能であり、前記インテグレータ素子への前記レーザ光の入射角を変化させるように揺動する揺動素子と、
前記揺動素子から出射された前記レーザ光を集光する集光素子と
を具備する照明光学系。
（２）（１）に記載の照明光学系であって、
前記インテグレータ素子は、第１のインテグレータ要素と、前記第１のインテグレータ要素から出射された前記レーザ光が入射する第２のインテグレータ要素とを有する
照明光学系。
（３）（２）に記載の照明光学系であって、
前記第１のインテグレータ要素は、所定のピッチで配列された複数のレンズを含む第１のレンズアレイを有し、
前記第２のインテグレータ要素は、前記第１のレンズアレイの前記ピッチで配列された、前記第１のレンズアレイの前記複数のレンズと光軸方向で対応して配列された複数のレンズを含む第２のレンズアレイを有し、
前記第１のレンズアレイの前記複数のレンズのうちの第１のレンズから出射された前記レーザ光のビームが、前記第１のレンズに光軸方向で対応して配置された、前記第２のレンズアレイの前記複数のレンズのうちの第２のレンズに入射されるように、前記揺動素子が揺動する
照明光学系。
（４）（１）または（２）に記載の照明光学系であって、
前記インテグレータ素子は、複数のレンズの配列であるレンズアレイを有し、
前記揺動素子は、前記インテグレータ素子へ入射する前記レーザ光の揺動幅が、前記複数のレンズのうち単一のレンズの幅以下となるように、揺動する
照明光学系。
（５）（１）から（４）のうちいずれか１つに記載の照明光学系であって、
前記揺動素子は、共振ミラーまたは音響光学素子である
照明光学系。
（６）レーザ光源と、
インテグレータ素子と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記インテグレータ素子に導くことが可能であり、前記インテグレータ素子への前記レーザ光の入射角を変化させるように揺動する揺動素子と、
前記揺動素子から出射された前記レーザ光を集光する集光素子と
を具備する照明光学系を含む分光測定用光照射装置。
（７）レーザ光源と、
インテグレータ素子と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記インテグレータ素子に導くことが可能であり、前記インテグレータ素子への前記レーザ光の入射角を変化させるように揺動する揺動素子と、
前記揺動素子から出射された前記レーザ光を集光する集光素子と、
中心を持つ第１の円に沿って設けられた凹面を有する反射部材と、
エッジ部を有し、前記第１の円と同心状の第２の円に沿って凸形状に設けられ、前記反射部材の前記凹面で反射された光が入射する回折格子と、
前記回折格子から出射された６００nm以上１１００nm以下の波長領域を有する、前記凹面で反射された回折光が、前記分光光学系へ入力された入力光と前記回折格子のエッジ部との間を通るように、前記反射部材及び前記回折格子に対する所定の位置に配置された入力素子と、
前記集光素子から出射された前記レーザ光が集まる面と、前記入力素子に入射される前記レーザ光の入力面とを光学的に共役に保つ光学系と
を具備する分光測定装置。
【符号の説明】
【０１８８】
１０、３１、３２…上記揺動素子
１１…レーザダイオード
１５、１５１、１５２…インテグレータレンズ
１５ａ…シリンドリカルレンズ
１７…集光レンズ
３５…フライアイレンズ（インテグレータ素子）
５１…反射部材
５２…回折格子
５２ａ…エッジ部
５２（５２Ｂ〜Ｄ）…回折格子
５３…スリット素子
５４…イメージセンサ
５５…プリズムミラー
５５１…第１のミラー面
５５２…第２のミラー面
５６…入力ビーム
５８…回折光
１００、２００、３００、４００、４５０…照明光学系
１５０…インテグレータ素子
１９０（１９）…像面
５００、６００…分光光学系
７００…顕微鏡光学系
【図１】
2013183108.tif 000007
【図２】
2013183108.tif 000008
【図３】
2013183108.tif 000009
【図４】
2013183108.tif 000010
【図５】
2013183108.tif 000011
【図８】
2013183108.tif 000012
【図１０】
2013183108.tif 000013
【図１１】
2013183108.tif 000014
【図１２】
2013183108.tif 000015
【図１３】
2013183108.tif 000016
【図１７】
2013183108.tif 000017
【図１８】
2013183108.tif 000018
【図１９】
2013183108.tif 000019
【図２０】
2013183108.tif 000020
【図６】
2013183108.tif 000021
【図７】
2013183108.tif 000022
【図９】
2013183108.tif 000023
【図１４】
2013183108.tif 000024
【図１５】
2013183108.tif 000025
【図１６】
2013183108.tif 000026